【導(dǎo)讀】第四期全國設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷實用技術(shù)培訓(xùn)班講義。大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)檢測與故障診斷。中國設(shè)備管理協(xié)會設(shè)備管理專題交流中心

　　

【正文】 判 機(jī)器運轉(zhuǎn) 狀態(tài)優(yōu)劣 的主要指標(biāo)。 峰峰值、單峰值、有效值 振幅的量值可以表示為峰峰值（ pp）、單峰值（ p） 、有效值（ rms）或平均值（ ap）。 峰峰值 是整個振動歷程的最大值，即正峰與負(fù)峰之間的差值； 單峰值 是正峰或負(fù)峰的最大值； 有效值 即均方根值。 只有在純正弦波 (如簡諧振動 )的情況下，單峰值等于峰峰值的 1/2，有效值等于單峰值的 倍，平均值等于單峰值的 倍；平均值在振動測量中很少使用。它們之間的換算關(guān)系是：峰峰值＝ 2單峰值＝ 221/2有效值。此換算關(guān)系并無多大的實用價值，只是說明振幅在表示為峰峰值、峰值、有效值時，數(shù)值不同、相差很大。 13 振動位移、振動速度、振動加速度 振幅 分別用 振動位 移、振動速度、振動加速度 值加以 描述 、度量，三者相互之間可以通過微分或積分進(jìn)行換算。在振動測量中，除特別注明外，習(xí)慣上， 振動位移的量值為峰峰值 ，單位是微米 [μm]或密耳 [mil]； 振動速度的量值為有效值 ，單位是毫米 /秒 [mm/s]或英寸 /秒 [ips]； 振動加速度的量值是單峰值 ，單位是重力加速度 [g]或米 /秒平方 [m/s2]， 1[g] = [m/s2]。 可以認(rèn)為，在低頻范圍內(nèi)，振動強度與位移成正比；在中頻范圍內(nèi)，振動強度與速度成正比；在高頻范圍內(nèi)，振動強度與加速度成正比。因為頻率低意味著振動體在單位時 間內(nèi)振動的次數(shù)少、過程時間長，速度、加速度的數(shù)值相對較小且變化量更小，因此振動位移能夠更清晰地反映出振動強度的大小；而頻率高，意味著振動次數(shù)多、過程短，速度、尤其是加速度的數(shù)值及變化量大，因此振動強度與振動加速度成正比。 也可以認(rèn)為，振動位移具體地反映了間隙的大小，振動速度反映了能量的大小，振動加速度反映了沖擊力的大小。 在實際應(yīng)用中， 大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械 的振動用 振動位移 的峰峰值 [μm]表示，用裝在軸承上的非接觸式電渦流位移傳感器來測量 轉(zhuǎn)子 軸頸的振動； 一般轉(zhuǎn)動設(shè)備 的振動用 振動速度 的有效值 [mm/s]表示，用手持式或 裝在設(shè)備 殼體 上靠近軸承處的磁電式速度傳感器或壓電式加速度傳感器（如今主要是加速度傳感器）來測量； 齒輪和滾動軸承 的振動用 振動加速度 的單峰值 [g]表示，用加速度傳感器來測量。 振動烈度 振動烈度 是振動標(biāo)準(zhǔn)中的通用術(shù)語，是描述一臺機(jī)器振動狀態(tài)的特征量。在我國及國際振動標(biāo)準(zhǔn)中，幾乎都規(guī)定振動烈度的度量值為 振動速度的有效值 。 因此，可以認(rèn)為振動烈度就是振動速度的有效值。所以，在對一般轉(zhuǎn)動設(shè)備進(jìn)行振動監(jiān)測時，應(yīng)測量振動速度的有效值（并要求在靠近軸承位置處的水平、垂直、軸向三個方向上進(jìn)行測量，取最大值），因為只有 振動烈度才有振動標(biāo)準(zhǔn)可以參照（大機(jī)組不完全如此），評定機(jī)器運轉(zhuǎn)狀態(tài)的優(yōu)劣時才能做到有據(jù)可依。 對大型旋轉(zhuǎn)機(jī)組轉(zhuǎn)子振動的評定標(biāo)準(zhǔn)，我國及國際振動標(biāo)準(zhǔn)幾乎都規(guī)定用在靠近軸承處軸頸振動位移的峰峰值進(jìn)行度量。評定標(biāo)準(zhǔn)的具體數(shù)值，由于各類型機(jī)器在轉(zhuǎn)速上相差較大，難以統(tǒng)一。對石油化工用離心式壓縮機(jī)及汽輪機(jī)，API61 API612 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在制造廠進(jìn)行機(jī)械運轉(zhuǎn)試驗時，轉(zhuǎn)子振動位移的峰峰值 Xpp 不應(yīng)超過 A 值或 ， A = (12020/n)1/2， n 為最大連續(xù)工作轉(zhuǎn)速。對石化大機(jī)組，轉(zhuǎn)子實際 運行中振幅的許可值應(yīng)該遵照制造商的規(guī)定。在無制造商規(guī)定時，也可以認(rèn)為： 14 Xpp≤ A 時 ， 為優(yōu)良狀態(tài)， A 為 (12020/n)1/2 及 ； A＜ Xpp≤ B 時 ， 為合格狀態(tài)， B＝ (～ )A，轉(zhuǎn)速較低時取大值，轉(zhuǎn)速高時取小值， B 為低報警值； B＜ Xpp≤ C 時 ， 為不合格狀態(tài)， C＝ ， C 為高報警值或連鎖值； Xpp＞ C 時， 為不允許狀態(tài)。 另外，當(dāng)振動值變化的增量超過報警值（ B 值）的 25％時，應(yīng)受到關(guān)注。 右圖為中石化旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動標(biāo)準(zhǔn) SHS 010032020 關(guān)于機(jī)器振動烈度 的評定等級表。我國及國際其它振動標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于機(jī)器振動烈度的評定等級也大致如此。例如， ISO 3945 對轉(zhuǎn)速為600~12020 r/min，功率大于 300kW 的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)與此完全相同；德國工程師協(xié)會VDI 2056 標(biāo)準(zhǔn)與此基本相同（低一格）。 其中，根據(jù)輸出功率、機(jī)器 —支承系統(tǒng)的剛性等將旋轉(zhuǎn)機(jī)械分為如下 4 類： Ⅰ ～小型轉(zhuǎn)機(jī)，如 15 kW 以下的電機(jī)； Ⅱ ～安裝在剛性基礎(chǔ)上的中型轉(zhuǎn)機(jī)，功率在 300 kW 以下； Ⅲ ～大型轉(zhuǎn)機(jī)，機(jī)器 —支承系統(tǒng)為剛性支承狀態(tài)； Ⅳ ～大型轉(zhuǎn)機(jī)，機(jī)器 —支承系統(tǒng)為撓性支承狀態(tài)。 當(dāng)支座 的固有頻率大于轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的固有頻率時，為剛性支承狀態(tài)；當(dāng)支座的固有頻率小于轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的固有頻率時，為撓性支承狀態(tài)。 振動烈度 Xrms 與振動位移 Xpp、振動加速度 Xp 的換算關(guān)系式為： Xrms＝ (2πf/(221/2))103Xpp ≈103 Xppf [mm/s] Xrms＝ ((21/2/2)/2πf )103Xp ≈103Xp/f [mm/s] 式中， Xpp～振動位移峰峰值， [μm]； 15 Xp～振動加 速度單峰值， [g]； f～主振動的頻率，通常取工頻， [Hz]。 在實際應(yīng)用中，應(yīng)該以實際測得數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，盡量避免運用以上換算關(guān)系。 4. 頻率 頻率、周期 頻率 f 是物體每秒鐘內(nèi)振動循環(huán)的次數(shù)，單位是赫茲 [Hz]。 頻率是 振動特性 的標(biāo)志，是 分析振動原因 的重要依據(jù)。 周期 T 是物體完成一個振動過程所需要的時間，單位是秒 [s] 。例如一個單擺，它的周期就是重錘從左運動到右，再從右運動回左邊起點所需要的時間。 頻率與周期互為倒數(shù)， f＝ 1/T。 對旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周就是完成了一個振動過程，為一個周期 ，或者說振動循環(huán)變化了一次。因此轉(zhuǎn)速 n、角速度 ω 都可以看作頻率，稱為旋轉(zhuǎn)頻率、轉(zhuǎn)速頻率、圓頻率，或 n、 ω、 f 不分，都直接簡稱為頻率， 它們之間的 換算關(guān)系為： f = n/60， ω＝ 2πf＝ 2πn/60≈， 其中轉(zhuǎn)速 n 的單位為轉(zhuǎn) /分鐘 [r/min]，角速度 ω 的 單位為弧度 /秒 [rad/s]。 倍頻、一倍頻、二倍頻、 倍頻、工頻、基頻、轉(zhuǎn)頻 振動頻率也可以用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來表示。 倍頻 就是用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來表示的振動頻率。 如果振動頻率為機(jī)器實際運行轉(zhuǎn)速頻率的一倍、二倍、三倍、 倍、 倍、 ? 時， 則 稱為一倍頻（習(xí)慣上又稱為 1X，或 1）、二倍頻（ 2X、 2）、三倍頻（ 3X、 3）、 倍頻（ 、 ）、 倍頻（ 、 ） 、 ? 等。其中，一倍頻，即 實際運行轉(zhuǎn)速頻率又稱為工頻 、基頻、轉(zhuǎn)頻， 倍頻又稱為半頻。 例如， 某 機(jī)器的實際運行轉(zhuǎn)速 n 為 6000 r/min，那么，轉(zhuǎn)速頻率＝ n/60＝6000/60＝ 100Hz，其工頻為 100Hz，二倍頻為 200Hz，半頻為 50Hz。 通頻振動、選頻振動 通頻振動 是原始的、未經(jīng)傅里葉變換分解處理的、由各頻率振動分量相互迭加 后的總振動 。其振動波形是復(fù)雜的波形。 選頻振動 是從通頻振動中所分解出來的、振動波形是單一正弦波 的、 某一 選定 頻率 的振動（如工頻、 倍頻、二倍頻 、 ? ）。 16 故障特征頻率 各種不同類型的 故障 所引起的振動 都有各自的特征頻率 。例如，轉(zhuǎn)子不平衡的振動頻率是工頻，齒式聯(lián)軸器（帶中間齒套）不對中的振動頻率是二倍頻，油膜渦動的振動頻率是 倍頻 (實際上要小一點 )，等等。由各頻率成分的幅值大小和分布情況，從中查找出發(fā)生了異常變化的頻率，再聯(lián)系故障特征頻率探索構(gòu)成振動激振力的來源，是判別振動故障類型通常采用的診斷方法 。 但是反過來， 某種 振動 頻率又和多種類型的故障有關(guān)聯(lián) 。例如，動不平衡的特征頻率是工頻，但不能說工頻高就是發(fā)生了動不平衡，因為某些軸承及 不對中等故障的振動頻率也是工頻。因此，頻率和振動故障的對應(yīng)關(guān)系并不是唯一的。為了得到正確的診斷結(jié)論，需要對各種振動信息進(jìn)行綜合分析。 常見的故障特征頻率 及相應(yīng)的故障類型，簡要介紹如下： ① 工頻 工頻 成分 在所有情況下都存在，工頻幅值幾乎總是最大，應(yīng)該在其發(fā)生異常增大的情況下才視為故障特征頻率。 工頻所對應(yīng)的故障類型相對較多。多數(shù)（ 60％以上）為 不平衡 故障，如轉(zhuǎn)子發(fā)生機(jī)械損傷脫 落（斷葉片、葉輪破裂等）、結(jié)垢、初始不平衡，以及軸彎曲等；同時，相當(dāng)數(shù)量（接近 40％）為 軸承偏心 類故障，如間隙過大、軸承合金磨損、軸頸與軸承偏心、軸承座剛度差異過大等；此外，還有剛性聯(lián)軸器的角度（端面）不對中 ；支座、殼體、基礎(chǔ)的松動、變形、裂縫等 支承剛度異常 引起的振動或共振；運行轉(zhuǎn)速接近 臨界轉(zhuǎn)速 ；發(fā)電機(jī)及 電 動 機(jī) 轉(zhuǎn)子 偏心 等。 ② 二倍頻 二倍頻 成分 在所有情況下也都存在，幅值往往低于工頻的一半，常伴有呈遞減狀的三倍頻、四倍頻 、 ? ，也應(yīng)該在異常增大的情況下視為故障特征頻率。 二倍頻所對應(yīng)的故障類型較為集中。絕大多 數(shù)為 不對中 （含 聯(lián)軸器 ）故障，如齒式聯(lián)軸器（帶中間短接）和金屬撓性（膜盤、疊片）聯(lián)軸器的不對中、剛性聯(lián)軸器的平行（徑向）不對中，其中，既有安裝偏差大所產(chǎn)生的冷態(tài)不對中，又有由溫差產(chǎn)生的支座升降不均勻以及管道力所引起的熱態(tài)不對中，以及聯(lián)軸器損傷故障等；此外，還有概率較小的其它故障，如轉(zhuǎn)動部件 松動 ，轉(zhuǎn)子剛度不對稱（橫向 裂紋 ）， 支承剛度 在水平、垂直方向上 相差過大 等。 ③ 低頻 （低于工頻的頻率） 正常情況下， 低頻 成分 往往不存在或者以微量幅值（一般不大于 3μm）存在，在其大于 3~5μm的情況下，就應(yīng)該以故障特征頻率的預(yù) 兆加以關(guān)注了。 低頻所對應(yīng)的故障類型相對復(fù)雜。可進(jìn)一步分為兩種類型，一種是分?jǐn)?shù)諧波 17 振動，如 1/2 倍頻、 1/3 倍頻 、 ? ，且頻率成分較多，多數(shù)為 摩擦 及 松動 故障，如密封、油封、油擋的摩擦，軸承瓦背緊力不夠等；另一種是亞異步振動，對應(yīng)的為 流體動力激振 類故障，如 旋轉(zhuǎn)失速、喘振、油膜渦動、油膜振蕩、密封流體激振 ，此外還有 進(jìn)汽（氣）激振 等，其中油膜振蕩、密封流體激振為自激振動，是一種很危險、能量很大的振動，一般發(fā)生在轉(zhuǎn)速高于第一臨界轉(zhuǎn)速之后，多數(shù)是在二倍第一臨界轉(zhuǎn)速以上，頻率成分較為單一。 ④ 轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子的臨界 轉(zhuǎn)速就是轉(zhuǎn)子的固有頻率，其所對應(yīng)的故障類型有油膜振蕩、密封流體激振、臨界轉(zhuǎn)速區(qū)共振，對于老機(jī)組、成熟機(jī)型發(fā)生的概率較低。 ⑤ 機(jī)器自身和基礎(chǔ)或其它附著物的固有頻率 ⑥ 齒輪故障的 特征頻率 由于齒輪的輪齒在進(jìn)入和脫離嚙合時，載荷突變、碰撞加劇，瞬時的高頻沖擊振幅與周期性變化的轉(zhuǎn)頻振幅相互疊加而產(chǎn)生幅值調(diào)制；制造時的輪齒分度不均勻、即周節(jié)誤差使旋轉(zhuǎn)速率發(fā)生變化則產(chǎn)生了頻率調(diào)制。 齒輪振動的特征頻率為： fm 177。 i f ， i 為正整數(shù)（ i＝ 1， 2， 3， … ） 式中， fm～嚙合頻率 ，為載波頻率， fm＝ f1z1＝ f2z2， 其中， f f z z2 分別為主動輪、從動輪的轉(zhuǎn)速頻率及齒數(shù)； f～齒輪的轉(zhuǎn)速頻率，為調(diào)制頻率。 表現(xiàn)在頻譜圖上，是以嚙合頻率 fm為中心、以齒輪轉(zhuǎn)速頻率 f 為間隔，不太對稱地分布于 fm的兩側(cè)（對稱度與周節(jié)誤差相關(guān)），兩側(cè)稱為邊頻帶、邊帶。 如果缺陷分布較均勻、如磨損，頻譜圖上的邊頻帶則顯現(xiàn)為窄、高、起伏大；如果發(fā)生斷齒或大的局部性缺陷，邊帶則寬、低、平。 ⑦ 滾動軸承故障的特征頻率 滾動體的通過頻率 對于滾動軸承來說，由于軸承游隙的存在，滾動體在通過載荷方向時受力 最大，反方向時最小或無。因此，每個滾動體在通過載荷方向時就會發(fā)生一次力的變化，內(nèi)圈及軸頸、外圈及軸承座也同時受到一次激勵，此激勵頻率稱為滾動體的通過頻率 fe。顯然， fe＝ z fc，其中， z～滾動體個數(shù)， fc～滾動體的公轉(zhuǎn)頻率、也是保持架的旋轉(zhuǎn)頻率。 滾動軸承的缺陷間隔頻率 由于潤滑不良、載荷過大、異物侵入、銹蝕等原因，會引起軸承工作表面上的剝落、膠合、裂紋、腐蝕凹坑、壓痕等離散型缺陷或損傷。滾動體在通過內(nèi)、外圈上的缺陷點或轉(zhuǎn)過自身的缺陷點時，就會與缺陷凹坑發(fā)生碰撞，而產(chǎn)生沖擊 18 振動。同時由于持續(xù)時間極短，能量 分散在極寬的頻率范圍上，完全可以激發(fā)起軸承各元件以其固有頻率的振動，就像用小錘輕輕敲擊大鐘可以使鐘發(fā)出聲音（固有頻率的振動）一樣。因此，這種由局部缺陷所產(chǎn)生的沖擊脈沖振動信號，其頻率成分不僅有反映滾動軸承故障特征的間隔頻率（即通過缺陷處的沖擊頻率），同時還包含有反映滾動軸承各元件固有頻率的高頻成分。 由局部缺陷引起的沖擊振動的間隔頻率的計算公式見下表。 式中， D～滾動體中心圓（節(jié)圓）直徑， [mm]； d～滾動體直徑， [mm]； α～接觸角， [角度或弧度 ]； z～滾動體的個數(shù)； n～軸的轉(zhuǎn)速， [r/min]。 除轉(zhuǎn)速 n 外， D、 d、 α、 z 均可根據(jù)軸承型號由軸承樣本查出。